Реферати українською » Химия » Кванти випромінювання і переходи. Рівні енергії і спектральні переходи в атомі водню


Реферат Кванти випромінювання і переходи. Рівні енергії і спектральні переходи в атомі водню


>Кванти випромінювання та переходи.

Рівні енергії і спектральні переходи в атомі водню


Зміст:

>Спектральние характеристики світла.

Рівні і спектральні переходи в атомі водню.

Спектри рівнів і матриці переходів.


Квантова механіка вивчає об'єкти з розмірами від 10-7>10-8 див до

10-16див.

Її розділи, присвячені будовою речовини:

Квантова хімія, вивчає електронне будоваатомно-молекулярних, зокрема і полімерних систем, як-от кристали і макромолекули, зокрема і біологічних макромолекул. Її традиційні інтереси зазвичай лежать унерелятивистской області, хоча щодо потребі - і дедалі частіше вона вдається і до релятивістськимуточнениям.

Ядерна (>субатомная) фізика вивчає об'єкти з розмірами від розміру атомного ядра і менше, тобто. 10-13 до 10-16 див. До відстаней порядку 10-16 див вдається експериментально спостерігати ознаки складної структури багатьох субатомних частинок, але менших відстанях ознаки складної структури частинок нині не встановлено.

Останніми роками виникав наноелектроніка. Вона займається об'єктами, розміри яких порядку 10-7 див (10-9 м). На межі 20-21 століть це область новітніхфундаментально-научних і інженерно-технологічних пошуків. До її меж впритул підійшло спрямоване конструювання мікроелементів обчислювальної техніки (чипів).

 

Основні типи взаємодій у природі

У дослідженої області енергій, що відповідає граничного просторовому вирішенню порядку від 10-15 до 10-16 див виявляються чотири типи взаємодій:

- сильне проявляється на відстанях порядку розміру ядра від 10-13див і менше. Причиною сильного взаємодії є ядерні сили, які у ядрі діють міжнейтроном і протоном і відданість забезпечує стабільність ядра. У ньому бере участь більшість відомих у час частинок,

- електромагнітне, у якому беруть участь все електрично заряджені (і пояснюються деякі нейтральні) частки; на відстанях порядку розміру ядра воно слабше сильного взаємодії. Саме з електромагнітними взаємодіями пов'язано й існування, і навіть фізичні властивостіатомно-молекулярних систем,

- слабке проявляється на відстанях, які перевищують 10-16 див; є причиною розпаду деяких видів субатомних частинок,

(нині встановлено, що у відстанях менш 10-16 див проявляється єдинеелектрослабое взаємодія),

- гравітаційне, яке всіх відстанях, але, порівняно з іншими на відповідних відстанях воно зникаюче мало. Та його величина на 36 десяткових порядків менший від, ніж в електростатичного взаємодії, скажімо, двох протонів. Його роль важлива в макросвіті, особливо у космічних масштабах.

Частинки і хвилі у "класичній механіці

Класичною механікою прийнято називати розділ фізики, вивчав закони руху макроскопічних тіл. У класичної механіці прийнято розрізняти:

- руху локалізованих мас. Їх прийнято називатикорпускулярними системами. Поступальний рух окремої корпускули з дуже великі точністю можна описати з урахуванням механіки матеріальної точки, що у центрі мас.

- руху суцільних середовищ виникають при обурення просторово безупиннораспределенной середовища. Такі руху мають періодичний хвильової характер.

Отже, корпускула це просторово локалізована маса (в межі яка доходила до матеріальної точки), а хвиля рух безупинної середовища з ознаками періодичності у просторі й часі.

 

Корпускулярно-хвильова природа випромінювання

>Волновие властивості світла були експериментально встановлено ще 17-му столітті. Про хвильової природу світла незаперечно свідчать суто хвильові явища дифракції -огибания невеликих просторових перешкод світловий хвилею, а далі інтерференції – виникнення просторово які чергуються областей взаємного посилення (в фазі) і взаємного ослаблення (в протифазі)налагающихся когерентних хвиль, що виходять з двох або кількох точок простору (кільця Ньютона, зониФренеля тощо. буд.).Механические хвилі поширюються на суцільний середовищі, й у світловий хвилі за аналогією також постулювали гіпотетичну суцільну середу, яку назвали ефіром.

У 2-ї половині 19 століття відкрили електромагнітне полі, і зрозуміли, що світлова хвиля представляє його коливання, а ефір - трохи більше, ніж гіпотетична модель безупинної середовища. Очікувані властивості ефіру не підтвердилися. Виявилося, що оптичний видимий діапазон довжин хвиль охоплює тільки дуже малу частину величезної шкали електромагнітного спектра, він у довгохвильової області перетворюється на радіочастотний діапазон, а короткохвильовою – в рентгенівське, а далі в -випромінювання.

>Волновая теорія, яка з електродинаміки, до дрібних особливостей пояснила все геометричні закономірності поширення випромінювання у просторі, й у термінах механіки це, що кінематика світла підпорядковується хвилевим законам.

На межі 19-20 століть були експериментально відкриті факти, які вкладалися у хвилясту концепцію світла. Усі такі явища зачіпають взаємодія випромінювання та речовини – закони поглинання і випущення (абсорбції і емісії) світла.Рентгеновское випромінювання, має таку ж природу, як і видимий світло. Це звичайна електромагнітне полі, але відрізняється від оптичного діапазону дуже малими довжинами хвиль, найменшими з відомих у той час. При описі властивостей короткохвильового випромінювання зірвалася обмежитися лише хвилевими законами, і мені довелося запровадитикорпускулярние уявлення про структуру електромагнітного поля.

Серед первинних явищ, незрозумілих без корпускулярної моделі виявилися фотоефект, термодинаміка рівноважного випромінювання абсолютно чорним тілом, і розсіювання рентгенівського випромінювання речовиною (ефектКомптона). Для кількісного описи експериментальних фактів знадобилося запровадити уявлення про елементарних частинках електромагнітного випромінювання – фотонах, а стерпні ними порції енергії було названо квантами. Особливість фотонів у тому, що й маса спокою нульова.

Виникла, здавалося здавалося б, суперечлива ситуація.

З одного боку рух електромагнітне полі - безперервна середовище, з другогоструктурно-дискретное освіту – потікчастиц-фотонов.

Цей поділ призначений для вступних вправ студентському аудиторії. Його мета – найпростіше обговореннякомбинационного принципу, який зв'язує енергетичні рівні найпростішого атома з частотами, хвилевими числами, енергіями спектральних переходів.

Тут наведено елементарні інформацію про характеристиках електромагнітного випромінювання, як-от довжина хвилі, хвилеве число, частота і енергія спектрального переходу, області електромагнітного випромінювання та діапазони спектральних методів, використовуючи формулуПланка-Эйнштейна ( =h ).

Корисно відзначити, що протягом перших десятиліть 20-го століття поглинання і емісія і розсіювання випромінювання були вже вигляді однофотонних процесів. Пізніше з відкриттям нелінійної оптики і створення потужних лазерних джерел випромінювання було відкритомногофотонние процеси.

3.1. Енергіяпоглощаемого чииспускаемого фотона - кванта електромагнітного поля прямо пропорційна частоті випромінювання , зворотно пропорційна довжині хвилі , прямо пропорційна хвильовому числу й відомої формулою Планка:

 (3.1)

Це співвідношення дозволяє для відліку енергії використовувати й одиниця виміру частоти (1 герц =с-1 чи кратні йому величини 1 кілогерц =103 герц,или1ме-гагерц =106 герц, чи 1гигагагерц =109 герц тощо.), і одиниця виміру хвильового числа (найчастіше зворотні сантиметри [ ]см-1). Ці різні шкали відліку енергії використовують у різних галузях експериментальної спектроскопії.

Приміром, в оптичної спектроскопії, що вивчає електронні переходи в атомах і молекулах, використовуються зворотні сантиметри (>см-1), врадиоспектроскопии, що вивчає процеси переорієнтації векторів магнітних моментів електронів чи ядер (>спинових векторів ядер чи електронів), зазвичай застосовує одиниці частоти - мегагерци чигигагерци (>мГц,гГц,). У спектроскопії високих енергій, використовує рентгенівське чи гамма-випромінювання, звичайній одиницею єелектроновольт (>еВ).

3.2. Рівні квантових систем є елементами одномірних масивів - енергетичних спектрів і може бути пронумеровано будь-яким дискретним числовим безліччю, найчастіше , де квантор V означає «чи»

. (3.2)

>Числа-номера рівнів називаються квантовими числами. Вони утворюють масиви.Дис-танции між рівнем утворюють вже двомірні впорядковані масиви - матриці:

. (3.3)

Кожній парі рівнів відповідає два переходу. Енергіїпоглощаемого іиспускаемого квантів (>поглощаемого чииспускаемого фотона) майже однакові, і цю пару переходів зручно зобразити символом чи можна просто парою індексів, які залежно від напрямку переходу чергуються якnm (перехід n ®m) чи якmn (перехідm ® n).

3.3. Поглиненна чи випущення фотона системою згідно із законом збереження енергії пов'язані з її переходами вздовж драбинки дискретних рівнів енергії, і тому кожному із можливих переходів відповідає своя частота чи своє хвилеве число. Частоти, хвильові числа і довжини хвиль, породжувані цими квантовими переходами, характеризують електромагнітний спектр системи. Вони також утворюють матриці і може бути пронумеровано індексами:

.(3.4)

Упорядкована зведення характеристик системи, які залежить від пар рівнів, завжди єдвумерную матрицю. Її структура проста і збігаються з принципом нумерації її елементів :

За такою схемою виходить спектр частот електронних переходів в атомарному водні.


3.4 Атом водню, рівні й переходи, частоти і спектральні серії

(Вправи для практичного заняття.)

3.4.1. Рівні енергії.

Вище вивели формула Бору для рівнів енергіїводородоподобного іона. Це електронні рівні. Стану однієї частки прийнято називатиорбиталями, тому ті рівні називають також орбітальними:

 (3.5)

Z -порядковий номер елемента. –>приведенная маса ( » e) .

>Орбитальние рівні дискретні, і висловлюється у цьому, що у формулу входить змінна, що має просто більше не буваєнецелочисленних значень. Це квантове число n.

3.4.2. Універсальні світові постійні рівні:

3.4.3. Формула Бору то, можливо записана на вельми простому вигляді. (>Z=1).

І тому універсальні константи об'єднують у один множник, одержуючи:

Спектр енергетичних рівнів набуває вигляду:

>Упорядочим розмірності, саме:

 ,

оскільки

Використовуючи надану масу, знаходимоA=2.1787221ергсм.

3.4.4.Спектральние переходи характеризуються хвилевими числами (чи частотами):

.(3.6)

Найпростіше це як

 (3.7)

3.4.5. ПостійнаРидберга це коефіцієнт R. Її значення:

У спектрі атомарної водню (рис.) виникають такі серії

 

 


Формулі (3.7) можна надати дуже проста матричний вид

, де , (3.8)


3.4.6.Диагональние матричні елементи нульові не мають сенсу.Переходам відповідають лише недіагональні матричні елементи ; усі вони зберігають у одній з двох трикутнихсубматриц, лежачих одна - над-, а друга - під нульової діагоналлю, і .

Елементи позитивної матриці є раціональні дробу, рівні:

n 1 2 3 4 5 ... серіяm

>Умножением цих матричних елементів на константуРидберга, виходить матриця хвильових чисел переходів в одиницях хвильового числа (>см-1):

3.4.7.Спектральние серії представляють собою рядки у цієї матриці.

Далі можна розрахувати і матрицю довжин хвиль внанометрах, враховуючи, що1см =107 нм:


3.4.8. Область кольорового зору людини охоплює тільки дуже малий діапазон шкали електромагнітного спектра (~ 400-700 нм). З п'яти наведених серій спектральних ліній в видимий інтервал довжин хвиль потрапляють лише лінії серіїБальмера. Корисно порівняти результати теоретичного розрахунку з експериментальними даними:

Уводородоподобного іона (>катиона з зарядом, рівнимZ-1) рівні енергії перебувають уZ2 раз рідше, ніж в атома H і, величини зрушень між його рівнями у стільки ж разів більше.



Експеримент ( нм) Теорія ( нм)

Серія

>Спектральних ліній

1-ша

лінія

2-га

лінія

Початок

>контину-ума

n

Рівні АТ,

>см-1 (>Терми)

(іонізація)

>Лаймана 121.567 102.58 91.17 1 109677.6 91.176
>Бальмера 656.274 486.13 364.79 2 27419.4 364.768
>Пашена 1875.077 1281.81 820.58 3 12186.4 820.587
>Бреккета 4050.000 2630.00 1459.0 4 6854.8 1458.821
>Пфунда 7400.000 4600.00 2280.0 5 4387.1 2279.408

Схожі реферати:

Навігація